前言
随(sui)着電子行業(ye)小型化多功(gong)能化發展的(de)趨勢，越來越(yuè)多的多🧑🏾🤝🧑🏼功能(néng)，體積小的元(yuan)件應用于在(zai)各種 産品上(shàng)，例如 QFN 元件和(hé) LGA 元件。
QFN 是一種(zhǒng)無引腳封裝(zhuāng)，呈正方形或(huo)矩形，封裝底(dǐ)部中央位置(zhì)有一💃🏻個大面(mian)積裸露焊盤(pan)用來導 熱，通(tong)過大焊盤的(de)封裝外圍四(sì)周焊盤導電(diàn)實現電氣✂️連(lian)結。由于🙇🏻無引(yǐn)腳，貼裝占有(you)面積比 QFP 小，高(gao)度 比 QFP 低，加上(shàng)傑出的電性(xing)能和熱性能(néng)，這種封裝越(yuè)來越多地應(ying)用于在電子(zi)行業。
QFN 封裝具(jù)有優異的熱(rè)性能，主要是(shì)因爲封裝底(di)部有大面積(jī)散熱🛀🏻焊盤，爲(wèi)了能有效地(dì)将熱量 從芯(xīn)片傳導到 PCB 上(shàng)，PCB 底部必須設(shè)計與之相對(dui)應的散熱焊(han)盤以及散😍熱(re)🛀過孔，散熱焊(hàn)盤提 供了可(ke)靠的焊接面(miàn)積，過孔提供(gòng)了散熱途徑(jing)。因而，當芯片(piàn)㊙️底部👨❤️👨的暴露(lù)焊盤和 PCB 上的(de)熱 焊盤進行(háng)焊接時，由于(yú)熱過孔和大(da)尺寸焊盤上(shàng)錫膏🐆中的氣(qì)❄️體将會向外(wai)溢出，産生一(yi)定的氣體 孔(kong)，對于 smt 工藝而(ér)言，會産生較(jiào)大的空洞，要(yào)想消除這些(xiē)氣孔幾乎是(shi)不✌️可🐪能的，隻(zhi)有将 氣孔減(jiǎn)小到最低量(liàng)。 LGA(land grid array)即在底面制(zhi)作有陣列狀(zhuàng)态坦電極觸(chù)點的封裝，它(tā)🚶的外形與 BGA 元(yuán)件非常 相似(sì)，由于它的焊(han)盤尺寸比 BGA 球(qiu)直徑大 2～3 倍左(zuǒ)右，在空🈲洞方(fang)面同樣也很(hěn)難控制。并且(qiě) 它與 QFN 元件一(yī)樣，業界還沒(mei)有制定相關(guān)的工藝标準(zhǔn)，這在一定㊙️程(chéng)度上對電子(zi)加工行業造(zao) 成了困擾。
本(běn)文通過大量(liang)實驗從 鋼網(wang) 優化，爐溫優(you)化以及預成(chéng)型焊片來尋(xun)找空洞的解(jiě)決方案。
實驗(yàn)設計
在實驗(yan)中所采用的(de) PCB 爲闆厚 1.6mm 的鎳(niè)金闆， 上的 QNF 散(san)熱焊盤✔️上🌈共(gong)有 22 個過孔;PCB 如(rú)圖示
1。QFN 采用 Sn 進(jin)行表面處理(li)，四周引腳共(gòng)有 48 個，每個焊(han)盤直徑爲 0.28mm，間(jiān) 距爲 0.5mm，散熱焊(hàn)盤尺寸爲 4.1*4.1mm。
如(rú)圖示 2. 圖 1，PCB 闆上(shàng)的 QFN 焊盤 實驗(yan) 1---對比兩款不(bú)同的錫膏
圖(tu) 2，實驗所用的(de) QFN 元件 在實驗(yan)中，爲了對比(bǐ)不同的錫膏(gao)對空洞的影(ying)響，我們采用(yòng)了兩種錫膏(gāo)，一款來自日(rì)系錫膏 A， 一款(kuan)爲美系錫膏(gāo) B，均爲業界最(zui)爲知名的錫(xī)膏公司♌。錫膏(gāo)合金爲 SAC305 的 4 号(hao)粉錫膏，鋼 網(wǎng)厚度爲 4mil，QFN 散熱(rè)焊盤采用 1：1 的(de)方形開孔，對(duì)比空洞結果(guǒ)如🔱下圖所示(shi)，發現兩款 錫(xi)膏在 QFN 上均表(biǎo)現出較大的(de)空洞，這可能(neng)由于散熱焊(hàn)盤較大✊，錫膏(gao)覆蓋了整個(ge)焊盤，影 響了(le) 助焊劑 的出(chū)氣以及過孔(kong)産生的氣體(ti)沒辦法排出(chu)氣，造成較大(da)的空洞，即使(shǐ)采用很好的(de)錫 膏的無濟(ji)于事。 錫膏 A(空(kōng)洞率 35.7%) 實驗 2---采(cai)用不同的回(huí)流曲線 錫膏(gao) B(空洞率 37.2%) 考慮(lü)到助焊劑在(zài)回流時揮發(fā)會産生大量(liang)的氣體，在實(shi)驗中，我們采(cǎi)用了典型的(de)線性式曲線(xiàn)和 馬鞍式平(píng)台曲線，通過(guo)回流我們發(fā)現，采用線性(xìng)的曲♻️線，它👣們(men)的🌍空洞率都(dou)在 35%～45 之間。
大的(de)空洞較明顯(xiǎn)，相對于平台(tái)式曲線，它的(de)空洞數🈲量較(jiào)少♈。而采用平(ping)台式的曲線(xiàn)，沒有很大 的(de)空洞，但是小(xiao)的空洞數量(liàng)較多。這主要(yào)是因爲采用(yong)平台式曲線(xian)，有助于助焊(han)劑在熔點前(qián)最 大的揮發(fā)，大部分揮發(fā)性物質在熔(rong)點前通過高(gao)溫烘烤♌蒸發(fa)了☂️，所以沒有(yǒu)很大的空洞(dòng);而線性 式的(de)曲線，由于預(yù)熱到熔點的(de)時間較短，大(da)部分的揮發(fā)性物質還沒(mei)有及時揮發(fā)，到達熔點的(de) 時候，焊料融(róng)化形成很大(da)的表面張力(lì)，同時許多氣(qi)體🔞同時揮發(fā)，所以形成較(jiào)大的空洞且(qiě)空洞 數量較(jiào)小。
Profile 1
Profile 2
實驗 3---采用(yong)不同的焊盤(pán)開孔方式
對(dui)于散熱焊盤(pán)，由于尺寸較(jiao)大，并且有過(guò)孔，在回流💚時(shi)，過📱孔由于📱加(jiā)熱産生的氣(qi)體以及助焊(han) 劑本身的出(chu)氣由于沒有(you)通道排出去(qu)，容易産生較(jiào)大📐的空🔆洞。在(zài)實驗中，爲了(le)幫助氣體排(pai)出去， 我們将(jiang)它分割爲幾(jǐ)塊小型的焊(hàn)盤，如下圖所(suǒ)示，我們采用(yong)三種開孔方(fāng)式。
開孔(kong) 2
開孔 3
如下圖(tu)所示，采用 3 種(zhong)不同的鋼網(wang)開孔方式，回(hui)流後在🔴 x-ray 下看(kan)空洞率均差(chà)不多，都在 35% 左(zuo)右，随着通道(dao)的增多，空洞(dòng)的大小也逐(zhu)漸降低，如圖(tu)示❄️開孔😘 1 中⁉️最(zuì)大的空洞爲(wèi) 15%，而開 孔 3 中最(zuì)大的空洞爲(wei) 5%。開孔 1 表現出(chū)較大個的空(kōng)洞，空🆚洞的數(shù)🛀🏻量較少，開孔(kǒng) 2 與開孔 3 的空(kong)洞率均差不(bú)多，且單個的(de)空洞均小于(yú)開孔 1 的😍空♍洞(dòng)，但小的空洞(dòng)數量較多，開(kai)孔 3 沒有 較大(dà)的空洞，但是(shì)空洞的數量(liang)很多，如下圖(tu)所示。
開孔 1
開孔 3
在另(lìng)一種産品上(shàng)，我們對 QFN 采用(yòng)同樣的 3 種開(kāi)孔方式，空洞(dòng)🈚表現與上面(mian)的産品表現(xiàn)不一 樣，當通(tong)道越多時空(kong)洞率越低，這(zhe)說明對于某(mǒu)些 QFN 元件💔，減少(shǎo)大焊🌍盤開孔(kǒng)尺寸增加通(tong)道 有助于改(gai)善空洞率，但(dàn)是對于某些(xiē) QFN 特别是有許(xu)多過孔的大(dà)🔞焊盤，更改鋼(gang)網開孔方式(shì)對 于空洞而(er)言并沒有太(tài)大的幫助。
實(shi)驗 4----采用低助(zhù)焊劑含量的(de)焊料
在回流曲線(xiàn)方面，我們采(cǎi)用産線實際(jì)生産用的曲(qu)線，不做任何(hé)更改，過爐後(hòu)通過 x-ray 檢測 看(kan) QFN 元件空洞，如(ru)下圖所示，空(kong)洞率爲 3～6%，單個(ge)最大空洞才(cái) 0.7%左右。
補充實(shi)驗 5-----焊片是否(fǒu)可解決 LGA 元件(jian)空洞?
由于 LGA 元(yuan)件焊盤同樣(yang)較大，在空洞(dòng)方面也比較(jiào)難控制🤩，那麽(me)焊💃🏻片💋是否可(kě)用于 LGA 降低空(kōng) 洞?如下圖所(suo)示，LGA 上共有 2 種(zhǒng)不同尺寸的(de)焊盤，58 個 2mm 直徑(jing)🚶♀️的圓形焊盤(pan)和 76 個 1.6mm 直徑的(de)圓形焊盤，焊(hàn)盤下同樣有(you)過孔。
使用錫(xī)膏回流，優化(huà)爐溫和鋼網(wǎng)開孔，效果均(jun)不明💯顯，它的(de)空洞率大概(gai)在 25～45%左右。如 下(xià)圖所示。
如何(hé)在 LGA 使用焊片(piàn)呢?由于它的(de)焊盤分别爲(wèi) 2mm 和 1.6mm 的圓形，考(kao)慮到焊片和(he) LGA 元件的固定(dìng)問題，我們在(zai)鋼網開孔時(shi)，将圓形焊盤(pán)開孔設計爲(wei) 4 個小的圓形(xíng)開孔，焊片尺(chǐ)寸 與焊盤比(bi)例爲 0.8，以保證(zhèng)焊盤的錫膏(gao)在固定焊片(pian)的同時還能(neng)💋粘㊙️住 LGA 元件。
如(rú)下圖所示，
對(dui)于實驗結果(guǒ)簡單描述下(xià)，在回流中我(wo)們不更改任(ren)何的回流溫(wen)度設定，通過(guo) X-ray 檢測空洞 率(lǜ)大概在 6～14%
總結(jié)
對于大焊盤(pán)元件，例如 QFN 和(hé) LGA 類元件，将焊(han)盤切割成井(jǐng)字形或🤩切割(gē)成小塊，有助(zhu)于降 低較大(dà)尺寸的空洞(dòng)，因爲增加通(tong)道有助于氣(qi)體的釋放。在(zai)回流🐅曲線方(fāng)面，需要考慮(lü)不同錫膏 中(zhōng)助焊劑揮發(fā)的溫度，盡量(liang)在回流前将(jiāng)大部分的氣(qi)體揮發有助(zhù)于降低較大(dà)尺寸的空洞(dong)，而使 用線性(xìng)的回流曲線(xian)有助于減小(xiǎo)空洞的數量(liàng)。如果有💃🏻過孔(kǒng)較大的狀态(tài)下，鋼網開孔(kong)和回流曲線(xiàn) 都無法降低(di)空洞時，使用(yong)焊片可以快(kuai)速有效的降(jiàng)低空洞，這主(zhǔ)要是因爲焊(han)片的助焊劑(jì)含量相 對于(yu)錫膏而言降(jiang)低了 5 倍，錫膏(gāo)中的助焊劑(jì)含有溶劑，松(song)香，增稠劑等(děng)造成大量的(de)揮發物在 高(gao)溫時容易形(xíng)成較大的空(kōng)洞，而焊片中(zhōng)的助焊劑㊙️成(chéng)份主要由松(sōng)香組成，不含(hán)溶劑等物質(zhì)，所 以有效地(di)降低了空洞(dong)。
